圖形系統

硬件：圖形I/O設備

圖形軟件：通用編程軟件包，專用應用軟件包

通用類：提供一個可用於高級程序語言的圖形功能擴展集（比如，OpenGL）

基本功能：圖元生成，屬性設置，選擇觀察及實施變換等

專用類：不關心圖形操作過程（比如，CAD系統）

計算機圖形系統由硬件和軟件兩部分組成，硬件包括：主計算機、圖形顯示器以及I/O交互工具和存儲設備；軟件包括操作系統、高級語言、圖形軟件和應用軟件。

現代計算機圖形系統與一般計算機系統最主要的差別是具有圖形的輸入、輸出設備以及必要的交互工具，在速度和存儲容量上具有較高的要求。另外，人也是這個系統的組成部分。

1、計算功能

2、存儲功能

3、輸入功能

4、輸出功能

5、對話功能

1、以大型機為基礎的圖形系統；

2、以中型機或超級小型機為基礎的圖形系統；

3、以工程工作站為基礎的圖形系統；

4、以微型機為基礎的圖形系統； ^[1] 

顯示設備是最終產生圖形顯示效果的部件，已有多種類型和技術的顯示設備出現，但佔統治地位的仍是陰極射線管（CRT）。

原理：利用電場產生高速的聚焦電子束，偏轉到屏幕表面的不同部位，以產生可見圖形。

組成：電子槍、偏轉系統和熒光屏。

電子槍：電流通過燈絲產生熱量，即對陰極加熱而發出電子束，在聚焦極上加一定的正電壓，使之聚焦成電子束，再由加速極（可能是多個）加上正電壓對電子束加速，使之有足夠的能量射向熒光屏；靠近陰極有一控制極，加上負電壓後可控制電子束的強弱，也可截止電子束。

偏轉系統：可用靜電場或磁場控制偏轉（多數使用磁偏轉系統）。

使用靜電場時，垂直和水平兩套平板放在陰極射線管的管頸內部。

磁偏轉系統是外部偏轉系統，它有兩個線圈繞在管頸上，當電子束通過線圈時，一個線圈的磁場使電子束產生水平偏轉，另一使之產生垂直偏轉。

偏轉系統最重要的特性是靈敏度，它反映了偏轉信號所能產生的偏轉角度的大小。

熒光屏：熒光屏上塗有熒光粉，電子束轟擊熒光層某點產生熒光亮點，當電子束離開該點後，其亮度值隨時間按指數規律衰減。餘輝時間就是指光亮值衰減到初始值的1/10所需的時間。用於圖形設備的熒光物質的餘輝時間一般是幾十到幾百毫秒。為得到穩定、不閃爍的畫面，需不斷進行刷新。

單色CRT顯示圖像的質量取決於：設備固有的單個光點直徑的大小以及“可尋址能力”。可尋址能力可以理解為單位長度內能夠利用的單個光點的數目。通常希望點的直徑大於點間距。一個CRT在水平或垂直方向上能夠識別出的最大光點數稱為分辯率。

產生彩色顯示的基本方法有兩種：射線穿透法、影孔板法。

射線穿透法：用於隨機掃描顯示器中，它是在屏幕上塗有兩層熒光粉（紅和綠），顯示的顏色取決於射線穿透熒光層的深淺：低速電子只能激勵外層紅粉、中速電子可以激勵綠粉和紅粉產生兩種附加顏色：橙和黃、高速的電子可以穿透紅色層而激勵綠色粉。這是一種廉價的方法，但圖形質量較低。

影孔板法：廣泛用於光柵掃描系統，這種CRT屏幕內部塗有很多組呈三角形的熒光粉，每一組有三個熒光點，當某組熒光粉被激勵時，分別發出三原色。與之對應的三個電子槍。屏幕後面有影孔板柵網，上面有很多小孔，與屏幕上的三元組對應，三束電子聚焦成一組射線，穿過小孔，激活屏幕上的一個三元組，出現色點，通過控制電子束的強弱，就可使激發出來的三原色混合成很寬的色彩等級。影孔板的徑距對CRT的分辨率影響較大，徑距小，圖形質量好，但成本高難度大。

這種存儲管的寫電子槍與普通的CRT沒有區別，但電子束不是直接寫在熒光屏上，而是寫在熒光屏前的存儲柵上，這是一個很細的金屬網，上面有介質，由寫電子槍射出的高能電子束將柵網上的介質的電子轟擊出來，柵網上被轟擊的地方呈正電荷，即形成正電荷軌跡。第二電子槍（讀出電子槍）發出的低能電子向收集極流去，收集極使這些電子均勻散開，流向存儲柵，存儲柵上呈正電荷的地方吸引電子，使之通過轟擊熒光屏而發光，其它位置不通過電子，即存儲柵起存儲圖形和控制電子通過的作用。優點：價格低、不需高刷新；缺點：不能做選擇性修改。

A、等離子板顯示器

優點：重量輕、不需要刷新緩存；缺點：分辨率低、價格高。

B、液晶顯示器件LCD

優點：低價、重量輕、尺寸小且耗低；缺點：被動顯示。

C、電子發光顯示器

優點：亮度高、通斷迅速；缺點：價格高、功耗大。

顯示的圖形由計算機加工成顯示器的顯示指令，即顯示檔案或顯示文件，顯示指令經接口電路送到顯示器的緩衝存儲器，固定存儲器中存放常用字符、數字等顯示指令。圖形控制器取出緩存或固定存儲器中的顯示指令，依次執行。顯示指令中的亮度、位移量等數字信息經線產生器化為控制電子束偏轉和明暗的物理量，即電壓和電流。再由管頭控制電路使電子束以所需亮度偏轉到所需的位置。並不斷進行刷新，使之穩定顯示。由於電子束的定位及偏轉具有隨機性，故稱隨機掃描。

優點：分辨率高、對比明顯、軟件豐富；缺點：價格貴。

光柵掃描CRT的屏幕可分為m行掃描線，每行分為n個小點，每個小點稱為象素，每個象素都對應幀緩衝存儲器中的若干位，黑白圖象只需一位；若每個象素用i位表示其灰度，則可產生2i級灰度或顏色。即光柵掃描顯示器的幀緩存中，存放的不是顯示指令，而是對應象素的亮度或色彩信息，這種信息稱為位圖。

計算機將要顯示的圖形、圖象轉化為位圖，經接口電路送入幀緩存，圖形控制器控制電子束按照固定的掃描線和掃描順序，按從幀緩存中讀出象素值對整個屏幕進行掃描。掃描完成後，顯示控制器向計算機申請中斷，使計算機能利用幀回掃的時間修改幀緩存中的內容，以實現畫面的修改。

要得到穩定的畫面，需進行刷新；需高速大容量存儲器；掃描分為隔行、逐行。

光柵掃描顯示器的優點：線、面圖形，圖感真實；價格低；缺點：轉換費時、軟件複雜。

圖形系統中，為減輕主機負擔，一般除CPU外，還有一個專用的顯示處理機(DPU)，用來與CPU交互和控制顯示設備的操作。

（1）隨機掃描系統的DPU

隨機掃描系統的DPU差別很大，複雜度各有不同。

這種DPU可以設有緩存，也可不設（藉助主存），不設緩存時，由主機CPU運行程序，形成DPU的顯示文件，並由主機CPU把顯示文件的起始地址送入DPU的指令計數器。DPU按這個起始地址從內存中依次讀出顯示指令，並送入指令寄存器，然後對操作碼譯碼，在控制邏輯的參與下執行指令，這種DPU較簡單。而具有緩存的則較複雜，功能也較強。

（2）光柵掃描系統的DPU

簡單的光柵掃描系統是由CPU先計算出每個象素點座標所對應的幀緩存地址，並賦以亮度或顏色值，但功能弱、效率低。具有獨立DPU的光柵掃描系統可以克服上述缺陷。

這種DPU專門用來將輸出圖素掃描轉換成象素位圖，同時執行一些如象素或象素塊的移位、拷貝、修改等光柵操作。具有獨立DPU的光柵掃描系統有三個存儲器：系統存儲器、顯示處理機存儲器、幀緩衝存儲器。

簡單的DPU只執行某些有可能實現的與圖形有關的操作；而較強的則可以實現裁剪、窗口視圖變換，還有與拾取有關的邏輯及反饋等交互操作。有的DPU還具有顯示錶存儲器按段存放顯示指令，通過這些段可進行變換重畫等操作。

（3）DPU的發展階段

第一代單片圖形處理器：1984年日立公司的HD-63484;1986年德克薩斯公司的TMS34010；Intel公司的82786。

第二代單片圖形處理器：日本電氣公司的72120;1988年德克薩斯公司的TMS34020；日立公司的GDP。

多片圖形處理器：AMD公司的9560四象點數據流管理器;美國國家半導體公司的高級圖形芯片組（ADCS）。

通用微處理器用作圖形處理器：福蘭第公司VARS。

流水線多處理器結構的圖形機：每個高級圖示命令都需要經過逐步進行幾何變換的過程，最後才形成位圖形式的輸出。典型的流水線結構包括三個獨立的處理器：顯示錶或命令處理器、幾何處理器以及顯示控制器或顯示處理器，實際比三個要細得多。其性能要比單片圖形處理器高得多，德克薩斯儀器公司的88XX。

陣列結構的圖示系統：因莫斯公司的T800。

1、點陣式打印機

2、筆式繪圖儀

3、靜電繪圖儀

4、激光打印機

5、噴墨繪圖儀

6、熱轉換打印機

7、攝象機

圖形輸入設備可將用户的圖形數據及各種命令等轉換為電信號，並傳遞給計算機。從邏輯上看，可分為六種功能，即定位、筆劃、送值、選擇、拾取及字符串，也稱六種邏輯設備。所謂邏輯設備，是指按邏輯功能定義的設備，並非具體的物理設備，實際的物理設備往往是某些邏輯設備的組合。

1、定位器：用於指示一個位置，其輸入量是x,y。常見的定位器有：座標數字化儀、圖形輸入板、鼠標器、跟蹤球、操縱桿、接觸控制板、聲學輸入板等。

2、拾取器：用於拾取顯示屏上的一個形體、圖組或圖素。典型的拾取器有光筆、圖形輸入板。

3、定值器：是提供標量值的物理設備。

4、鍵盤：用來輸入字符或字符串等。

5、按鍵：用於從一組動作或功能中作出選擇，如已編程的功能鍵盤。

6、其它設備：如語音識別器等。 ^[1] 

圖形軟件系統應該具有良好的結構，要有合理的層次結構的模塊結構，以便於設計、維護和調試。

1、零級圖形軟件：是最底層的軟件，主要解決圖形設備與主機的通訊、接口等問題，又稱設備驅動程序，是一些最基本的輸入、輸出子程序，要求程序質量高，它是面向系統的，而不是面向用户的。

2、一級圖形軟件：又稱基本子程序，包括生成基本圖形元素，對設備進行管理的各程序模塊，既面向系統又面向用户。

3、二級圖形軟件：也稱功能子程序，是在一級圖形軟件基礎上編制的，其主要任務是建立圖形數據結構，定義、修改和輸出圖形；以及建立各圖形設備之間的聯繫，要具有較強的交互功能，它是面向用户的。（以上三級通常稱為支撐軟件）

4、三級圖形軟件：是為解決某種應用問題的圖形軟件，是整個應用軟件的一部分，通常由用户編寫或與設計者一起編寫。

1、基本圖形軟件的內容

基本圖形軟件作為圖形系統的支撐軟件，其功能可根據需要而有所不同，但其基本內容一般應包括：

（1）系統管理程序；

（2）定義和輸出基本圖素及複合圖素圖形的程序；

（3）圖形變換，包括幾何變換、開窗、裁剪等程序；

（4）實時輸入處理程序；

（5）交互處理程序；

2、建立基本圖形軟件的方法

（1）在高級語言的基礎上增加圖形程序包；

（2）修改高級語言；

（3）專用高級圖形語言；

1、高級語言的選擇

圖形軟件包是以某種高級語言為基礎，選擇哪種高級語言應考慮以下幾種因素：

應該選擇在工程技術領域較為通用的語言；

模塊化結構的高級語言；

支持性軟件比較豐富的語言；

數據類型較為豐富靈活的語言；

I/O功能比較強的語言；

目標程序質量較好的語言；

2、OS選擇

OS系統的強弱大大影響其它系統軟件的功能，另外圖形系統有很多I/O設備，要管理這些設備，可以有：開發圖形OS、修改OS和由圖形軟件包自己管理。 ^[1] 

1、IBM-PC基本彙編指令驅動

（1）設置屏幕狀態；

（2）繪製一個點；

（3）設置屏幕為字符方式；

2、M icrosoft C/C++運行庫例程

（1）配置方式與環境；

（2）設置座標；

（3）設置低級圖形調色板；

（4）設置屬性值；

（5）產生圖形及文本輸出；

（6）傳送圖象與顯示字型； ^[1] 

已經制訂的圖形標準都是接口標準，這些標準旨在使圖形系統中兩部分之間的接口標準化，分為兩大類：

數據接口標準：用以確定系統各界面之間數據傳遞和通訊的標準；

子程序接口標準：規定應用程序調用子程序的功能及格式的標準；

標準所處的位置不同，所起的作用的提供的服務也不同。

1981年成為ANSI標準，其作用是在不同的圖形系統之間交換數據，其基本單元是實體，實體分為三類：幾何實體、描述實體和結構實體。其文件格式是由ASCII碼、記錄長度為80個字符的順序文件組成，文件分五節，並提供出錯處理機制。

GKS提供了在應用程序和圖形輸入輸出設備之間的功能接口，是一個子程序接口標準，是一個獨立於語言的圖形系統核心。

GKS作為一個系統核心，它提供的圖形功能和特殊的圖形設備是無關的，它可調用輸入、輸出、輸入輸出、獨立圖段存儲、元文件輸出、元文件輸入等六種抽象的物理設備（圖形工作站），它允許輸出圖素在不同的工作站上變換和傳送；它包括線元素、點元素、字符元素和光柵元素等基本圖素，以圖段方式工作和組合，採用元文件在圖形系統間傳送圖形。GKS是一個二維圖形標準，而GKS-3D是一個三維圖形標準。

是ANSI在1986年公佈的為應用程序員提供的控制圖形設備的子程序接口標準，可分為九個程序模塊來分別實現，各模塊間獨立，僅通過公共數據結構與其它模塊連接。所有圖形數據組織在稱為結構的單元中，結構間通過層次調用發生聯繫，結構中可包括圖形元素、模型變換矩陣元素、觀察選擇元素、應用數據元素和結構調用元素等。應用程序可通過調用一個不存在的結構、打開已存在結構、一個不存在的結構登錄到工作站上、改變結構標識符時引用一個結構名等四種方式創建結構。並提供了有效的編輯結構的手段。與GKS相比，其差別體現在：數據結構、可修改性、屬性存儲、輸出流水線等方面。

是由ISO TC 97提出的設備接口草案，與1985年ANSI公佈的VDI標準一致，提供了一種可視圖形設備驅動程序的標準，屬於程序接口標準。

是由ANSI在1986年提出的標準，1987年成為ISO標準，是一套與設備無關的語義、詞法定義的圖形文件格式，提供了隨機存取、傳送、簡潔定義圖像的手段。通用性是它的關鍵屬性，是一種靜態的圖形生成元文件。其標準有兩部分組成，一是功能規格説明，以抽象的詞法描述了相應的文件格式；二是描述了CGM的三種標準編碼形式，即字符、二進制和清晰的正文編碼。 ^[1]